Страничная память. Страничная организация виртуальной памяти

Страничная память - способ организации виртуальной памяти , при котором единицей отображения виртуальных адресов на физические является регион постоянного размера (т. н. страница ). Типичный размер страницы - 4096 байт, для некоторых архитектур - до 128 КБ .

Поддержка такого режима присутствует в большинстве 32-битных и 64-битных процессоров. Такой режим является классическим для почти всех современных ОС, в том числе Windows и семейства UNIX . Широкое использование такого режима началось с процессора VAX и ОС VMS с конца 1970-х годов (по некоторым сведениям, первая реализация). В семействе x86 поддержка появилась с поколения 386, оно же первое 32-битное поколение.

Решаемые задачи [ | ]

Концепции [ | ]

Адрес, используемый в машинном коде, то есть значение указателя, называется «виртуальный адрес».

Адрес, выставляемый процессором на шину, называется «линейный адрес» (который позже преобразуется в физический).

Запись таблицы страниц обычно содержит в себе следующую информацию:

Число записей в одной таблице ограничено и зависит от размера записи и размера страницы. Используется многоуровневая организация таблиц, часто 2 или 3 уровня, иногда 4 уровня (для 64-разрядных архитектур).

В случае 2 уровней используется «каталог» страниц, в котором хранятся записи, указывающие на физические адреса таблиц страниц. В таблицах содержатся записи, указывающие на страницы данных.

При использовании 3-уровневой организации добавляется надкаталог, хранящий записи, указывающие на несколько каталогов.

Старшие биты виртуального адреса указывают на номер записи в каталоге, средние - номер записи в таблице, младшие (адрес внутри страницы) попадают в физический адрес без трансляции.

Формат записей таблиц, их размер, размер страницы и организация таблиц зависит от типа процессора, а иногда и от режима его работы.

Исторически x86 использует 32-битные PTE, 32-битные виртуальные адреса, 4-КБ страницы, 1024 записи в таблице, двухуровневые таблицы. Старшие 10 битов виртуального адреса - номер записи в каталоге, следующие 10 - номер записи в таблице, младшие 12 - адрес внутри страницы.

Начиная с Pentium Pro, процессор поддерживает страницы размером 4 МБ. Однако, чтобы система и программы, запущенные в ней, могли использовать страницы такого размера, технология 4-МБ страниц (hugepages) должна быть соответствующим образом активирована, а приложение настроено на использование страниц такого размера.

В архитектуре x86_64 возможно использовать страницы размером 4 килобайта (4096 байтов), 2 мегабайта, и (в некоторых AMD64) 1 гигабайт.

Если обращение к памяти не может быть оттранслировано через TLB, то микрокод процессора обращается к таблицам страниц и пытается загрузить PTE оттуда в TLB. Если и после такой попытки сохранились проблемы, то процессор исполняет специальное прерывание, называемое «отказ страницы » (page fault). Обработчик этого прерывания находится в подсистеме виртуальной памяти ядра ОС.

Некоторые процессоры (MIPS) не имеют обращающегося к таблице микрокода, и генерируют отказ страницы сразу после неудачи поиска в TLB, обращение к таблице и её интерпретация возлагаются уже на обработчик отказа страницы. Это лишает таблицы страниц требования соответствовать жёстко заданному на уровне аппаратуры формату.

Причины отказа страницы (page fault ):

• не существует таблицы, отображающей данный регион,
• PTE не имеет взведённого флага «страница отображена»,
• попытка обратиться из пользовательского режима к странице «только для ядра»,
• попытка записи в страницу «только для чтения»,
• попытка исполнения кода из страницы «исполнение запрещено».

Обработчик отказов в ядре может загрузить нужную страницу из файла или же из области подкачки (см. свопинг), может создать доступную на запись копию страницы «только для чтения», а может и возбудить исключительную ситуацию (в терминах UNIX - сигнал SIGSEGV) в данном процессе.

Каждый процесс имеет свой собственный набор таблиц страниц. Регистр «каталог страниц» перегружается при каждом переключении контекста процесса. Также необходимо сбросить ту часть TLB, которая относится к данному процессу.

В большинстве случаев ядро ОС помещается в то же адресное пространство, что и процессы, для него резервируются верхние 1-2 гигабайта 32-битного адресного пространства каждого процесса. Это делается с целью избежать переключения таблиц страниц при входе в ядро и выходе из него. Страницы ядра помечаются как недоступные для кода режима пользователя.

Память региона ядра часто совершенно одинакова для всех процессов, однако некоторые подрегионы региона ядра (например, регион Windows, где находится подсистема графики и драйвер видео) могут быть различными для разных групп процессов (сессий).

Так как память ядра одинакова у всех процессов, соответствующие ей TLB не нужно перегружать после переключения процесса. Для этой оптимизации x86 поддерживает флаг «глобальный» у PTE.

Отображаемые в память файлы [ | ]

Обработчик отказа страницы в ядре способен прочитать данную страницу из файла.

Это приводит к возможности лёгкой реализации отображенных в память файлов. Концептуально это то же, что выделение памяти и чтение в неё отрезка файла, с той разницей, что чтение осуществляется неявно «по требованию», выраженному отказом страницы при попытке обращения к ней.

Вторым преимуществом такого подхода является - в случае отображения «только для чтения» - разделение одной и той же физической памяти между всеми процессами, отображающими данный файл (выделенная же память своя у каждого процесса).

Третьим преимуществом является возможность «забывания» (discard) некоторых отображенных страниц без выгрузки их в область подкачки, обязательной для выделенной памяти. В случае повторной потребности в странице она может быть быстро загружена из файла снова.

Четвёртым преимуществом является неиспользование дискового кэша в этом режиме, что означает экономию на копировании данных из кэша в запрошенный регион. Преимущества дискового кэша, оптимизирующего операции небольшого размера, а также повторное чтение одних и тех же данных, полностью исчезают при чтениях целых страниц и тем более их групп, недостаток же в виде обязательного лишнего копирования - сохраняется.

Отображаемые в память файлы используется в ОС Windows, а также ОС семейства UNIX, для загрузки исполняемых модулей и динамических библиотек. Они же используются утилитой GNU grep для чтения входящего файла, а также для загрузки шрифтов в ряде графических подсистем.

Страничная и сегментная виртуальная память [ | ]

Огромным достоинством страничной виртуальной памяти по сравнению с сегментной является отсутствие «ближних» и «дальних» указателей.

Наличие таких концепций в программировании уменьшает применимость арифметики указателей и приводит к огромным проблемам с переносимостью кода с/на такие архитектуры. Так, например, значительная часть ПО с открытым кодом изначально разрабатывалась для бессегментных 32-битных платформ со страничной памятью и не может быть перенесена на сегментные архитектуры без серьёзной переработки.

Кроме того, сегментные архитектуры имеют тяжелейшую проблему SS != DS, широко известную в начале 1990-х годов в программировании под 16-битные версии Windows. Эта проблема приводит к затруднениям в реализации динамических библиотек, ибо они имеют свой собственный DS, и SS текущего процесса, что приводит к невозможности использования «ближних» указателей в них. Также наличие своего собственного DS в библиотеках требует устанавливающих правильное значение DS заплаток (MakeProcInstance) для обратных вызовов из библиотеки в вызвавшее приложение.

Виртуальная память и дисковый кэш [ | ]

Поддержка файлов, отображенных в память, требует поддержки ядром ОС структуры «совокупность физических страниц, содержащих в себе отрезки данного файла». Отображение файла в память делается путём заполнения входов таблиц ссылками на страницы данной структуры.

Совершенно очевидно, что данная структура является уже готовым дисковым кэшем. Использование её в качестве кэша также решает проблему когерентности файла, доступного через read/write, и его же, отображённого в память.

Таким образом, пути кэшированного ввода-вывода в дисковый файл (FsRtlCopyRead в Windows и аналогичная ей generic_file_read() в Linux) реализуются как копирования данных в физические страницы, отображенные на файл.

Такая организация кэша является единственной в Windows, эта ОС вообще не имеет классического блочного кэша диска. Метаданные файловых систем кэшируются путём создания лже-файлов (IoCreateStreamFileObject) и создания страничного кэша для них.

Соображения безопасности [ | ]

Первоначально архитектура x86 не имела флага «страница недоступна на исполнение» ().

Поддержка данного флага появилась в архитектуре x86 как часть режима PAE (Physical Address Extension) в поколении Pentium 4, под большим давлением со стороны специалистов по безопасности (см. архивы NTBugTraq). Установка данного флага на страницах стека и кучи (heap) позволяет реализовать аппаратно защиту от исполнения данных, что делает невозможной работу многих разновидностей вредоносного ПО, в том числе, например, злонамеренную эксплуатацию многих брешей в Internet Explorer (брешь декабря 2008 года, см. MS knowledge base, не может быть задействована в случае включенной DEP).

Поддержка PAE в Windows, дающая возможность включения защиты от исполнения данных , появилась в Windows 2000, она включена по умолчанию в серверных версиях Windows и отключена в клиентских.

Поддержка памяти свыше 4 ГБ в Windows [ | ]

Устройства PCI, в том числе память видеоплаты, обычно поддерживают только 32-битные адреса. Следовательно, им должны быть выданы физические адреса ниже отметки 4 ГБ. Эта «апертура» уменьшает объём видимой физической памяти ниже отметки 4 ГБ до примерно 3,2 ГБ. Остальная часть физической памяти переотображается контроллером выше отметки 4 ГБ.

Для любого обращения к памяти свыше отметки 4 ГБ (то есть более чем примерно 3,2 ГБ) требуется поддержка контроллером (то есть северным мостом чипсета) такой конфигурации. Современные чипсеты (например, Intel G33) такую поддержку имеют.

Также требуется настройка BIOS под названием memory remapping , отображающая регион на .

Процессор x86 вне режима PAE использует 32-битные PTE и физические адреса, то есть ему не доступно ничто, находящееся выше отметки 4 ГБ (см. также PSE-36 об одном из вариантов обхода данного ограничения). Таким образом, для использования памяти более, чем примерно 3,2 ГБ в ОС она должна поддерживать PAE. Для Windows - это опция загрузки, для Linux - опция построения ядра.

Кроме того, Microsoft принудительно отключила поддержку физических адресов выше 4 ГБ по политико-маркетинговым соображениям в следующих ОС:

Поддержка физических адресов выше 4 ГБ имеется в следующих версиях:

• всe 64-битные версии,
• 32-битная Windows Vista SP1 (поддержка включена по умолчанию, но её подключение нередко может требовать набора команд в командной строке),
• 32-битный Windows Server 2003, отличный от Web Edition,
• 32-битный Windows Server 2008.

Таким образом, для того, чтобы использовать память выше 3,2 ГБ в Windows, нужны:

• поддержка чипсетом,
• правильные настройки BIOS,
• правильная версия Windows,
• правильная опция загрузки (с поддержкой PAE),
• поддержка 36-битного адресного пространства драйверами устройств.

Тем не менее, даже в «урезанной» версии Windows, не поддерживающей адреса выше 4 ГБ, имеет смысл всегда использовать PAE, ибо (см. выше) защита от исполнения данных (DEP) тоже требует PAE. При включении PAE может перестать работать небольшая часть ПО, например, эмулятор windows mobile. Согласно официальной версии Microsoft, введение 4-ГБ ограничения адресного пространства связано с отсутствующей или плохой поддержкой 36-битного адресного пространства некоторыми драйверами устройств, это следует иметь в виду, по причине аппаратных ограничений или неподходящих драйверов невозможно подключить PAE на версиях, имеющих поддержку физических адресов выше 4 ГБ. Возможность включения или выключения PAE не зависит от драйверов, но, если драйвер какого-то старого PCI оборудования не поддерживает правильно физические адреса, не умещающиеся в 32 бита, то данное устройство будет работать неверно и может привести к зависанию всего компьютера.

Страничная организация памяти

Страничная организация памяти относится к методам несмежного размещения процессов в основной памяти. Она позволяет свести к минимуму общую фрагментацию за счет полного устранения внешней фрагментации и минимизации внутренней фрагментации. Эта форма организации виртуальной памяти во многом похожа на сегментную. Основные различия заключаются в том, что все страницы, в отличие от сегментов, имеют одинаковые размеры, а разбиение виртуального адресного пространства процесса на страницы выполняется системой автоматически. Типичный размер страницы – несколько килобайт. Для процессоров Pentium, например, страница равна 4 Кб.

Все виртуальные адреса одного процесса относятся к единому линейному пространству, проще сказать, виртуальный адрес выражается одним числом, от 0 до некоторого максимума. Старшие разряды двоичного представления этого адреса определяют номер виртуальной страницы, а младшие разряды – смещение от начала страницы. Например, для страниц по 4 Кб смещение занимает 12 младших разрядов адреса.

Физическая память также считается разбитой на части, размеры которых совпадают с размером виртуальной страницы. Эти части называются физическими страницами или страничными кадрами (page frames). Таблица страниц процесса по структуре похожа на таблицу сегментов. Для каждой виртуальной страницы она содержит: режим доступа, флаг присутствия страницы в памяти, номер страничного кадра, флаг чистоты. Если страница отсутствует в памяти, ее данные сохраняются в файле подкачки, который в этом случае чаще называют страничным файлом (page file).

В отличие от случая сегментной организации, вместо сложения базового адреса со смещением в данном случае можно просто собрать вместе номер физической страницы и смещение. При переключении текущего процесса система просто изменяет адрес используемой таблицы страниц, тем самым полностью изменяя отображение виртуальных адресов на физические.

Страничная организация памяти не может привести к фрагментации, поскольку все страницы одинаковы по размеру, а потому каждая высвобожденная физическая страница может быть затем использована для любой понадобившейся виртуальной страницы.

Управление замещением страниц в физической памяти строится по принципу загрузки по требованию (demand paging). Это означает, что когда программа только лишь планирует использование определенной области виртуальной памяти, соответствующие виртуальные страницы помечаются в таблице страниц как существующие, но находящиеся в данный момент на диске. Выделение страниц физической памяти не выполняется до тех пор, пока программа не обратится к одной из ячеек виртуальной страницы. При этом происходит аппаратное прерывание по отсутствию страницы в памяти. Это прерывание обрабатывает часть ОС, которая называется менеджером памяти. Менеджер должен выполнить следующие действия:

• найти свободную физическую страницу;
• если свободной страницы нет, то по определенному алгоритму выбрать занятую страницу, которая будет вытеснена на диск;
• если выбранная страница «грязная», т.е. ее содержимое изменялось после того, как она последний раз была прочитана с диска, то «очистить» страницу, т.е. записать ее в соответствующий блок страничного файла;
• на освободившуюся физическую страницу прочитать блок страничного файла, закрепленный за запрошенной виртуальной страницей;
• откорректировать таблицу страниц, пометив вытесненную страницу как отсутствующую в физической памяти, а прочитанную – как присутствующую и при этом «чистую»;
• повторить обращение к запрошенному виртуальному адресу.

Последующие обращения к виртуальным адресам той же страницы будут успешно выполняться, пока страница не будет, в свою очередь, вытеснена на диск.

Перемещение страниц по запросу

Виртуальная память чаще всего реализуется на базе страничной организации памяти, совмещенной со свопингом страниц. Свопингу подвергаются только те страницы, которые необходимы ЦП. Таким образом перемещение страниц по запросу означает:

1. Программа может выполняться на ЦП, когда часть страниц находится в основной памяти, а часть во внешней;
2. В процессе выполнения новая страница не перемещается в основную память до тех пор, пока в ней не возникла необходимость.

Для учета распределения страниц между внешней и основной памятью каждая строка таблицы страниц дополняется битом местонахождения страницы (valid/invalid bit). В том случае если ЦП пытается использовать страницу, помеченную значением invalid, возникает событие, называемое страничной недостаточностью. Страничная недостаточность вызывает прерывание выполнения программы и передачу управления ОС. Реакция ОС на страничную недостаточность заключается в том, что необходимая страница загружается в основную память.

Основные этапы обработки страничной недостаточности:

1. ЦП, прежде чем осуществлять преобразование логического адреса в физический, проверяет значение бита местонахождения необходимой страницы.
2. Если значение бита invalid, то процесс прерывается и управление передается ОС для обработки события страничная недостаточность.
3. Отыскивается необходимая страница во вторичной памяти и свободная страничная рамка в основной.
4. Требуемая страница загружается в выбранную страничную рамку.
5. После завершения операции загрузки редактируется соответствующая строка таблицы страниц, в которую вносится базовый адрес и значение бита местонахождения – valid.
6. Управление передается прерванному процессу.

Метод замещения страниц

Метод замещения страниц состоит в том, что в основной памяти выбирается наименее важная (используемая) страница- жертва, которая временно перемещается в пространство свопинга, а на ее место загружается страница, вызываемая страничной недостаточностью.

Обработка страничной недостаточности с учетом замещения:

1. Определяется местонахождение страницы путем анализа бита нахождения.
2. Если значение бита invalid, то разыскивается свободная страничная рамка.
3. Если имеется свободная страничная рамка, то она используется.
4. Если свободной страничной рамки нет, то используется алгоритм замещения, который выбирает страницу – жертву.
5. Страница – жертва перемещается в пространство свопинга и таблица страниц редактируется.
6. Требуемая страница загружается на место страницы – жертвы и соответствующим образом редактируется таблица страниц.

Для учета факта модификации страницы в таблицу страниц вводится дополнительный бит, который меняет свое значение на противоположное в том случае, если содержимое страницы изменилось.

Алгоритм распределения страничных рамок

Алгоритм распределения страничных рамок решает, сколько страничных рамок в основной памяти выделить каждому из процессов мультипрограммной смеси. Алгоритм замещения страниц решает, какую из страниц выбрать в качестве жертвы.

1. FIFO (first in first out). Этот алгоритм ассоциирует с каждой страницей время, когда эта страница была помещена в память. Для замещения выбирается наиболее старая страница. Алгоритм учитывает только время нахождения страниц в памяти, но не учитывает используемость страницы.
2. Алгоритм LRU (least recently used). Он выбирает для замещения ту страницу, на которую не было ссылок на протяжении длительного периода времени. Он ассоциирует с каждой страницей время последнего использования этой страницы. Замещается та страница, которая дольше всех не использовалась. Применяется два подхода при внедрении этого алгоритма:
1. Подход на основе логических часов – ассоциирует с каждой строкой таблицы поле «время использования», а в ЦП добавляются логические часы. Логические часы увеличивают значение при каждом обращении к памяти. Каждый раз когда осуществляется ссылка на страницу, значение регистра логических часов копируется в поле «время использования». Заменяется страница с наименьшим значением в отмеченном поле путем сканирования всей таблицы станиц.
2. Подход на основе стека номеров страниц – стек номеров страниц хранит номера страниц, упорядоченных в соответствии с историей их использования, на «вершине» стека располагается только что использованная страница, а на «дне» дольше всех не используемая страница. Как только осуществляется ссылка на страницу, она перемещается на вершину стека, а номера всех страниц сдвигаются вниз.

Лекция 13, Страничная организация памяти

В системах со страничной организацией основная и внешняя память (главным образом дисковое пространство) делятся на блоки или страницы фиксированной длины. Каждому пользователю предоставляется некоторая часть адресного пространства, которая может превышать основную память компьютера и которая ограничена только возможностями адресации, заложенными в системе команд. Эта часть адресного пространства называется виртуальной памятью пользователя. Каждое слово в виртуальной памяти пользователя определяется виртуальным адресом, состоящим из двух частей: старшие разряды адреса рассматриваются как номер страницы, а младшие - как номер слова (или байта) внутри страницы.

Управление различными уровнями памяти осуществляется программами ядра операционной системы, которые следят за распределением страниц и оптимизируют обмены между этими уровнями. При страничной организации памяти смежные виртуальные страницы не обязательно должны размещаться на смежных страницах основной физической памяти. Для указания соответствия между виртуальными страницами и страницами основной памяти операционная система должна сформировать таблицу страниц для каждой программы и разместить ее в основной памяти машины. При этом каждой странице программы, независимо от того находится ли она в основной памяти или нет, ставится в соответствие некоторый элемент таблицы страниц. Каждый элемент таблицы страниц содержит номер физической страницы основной памяти и специальный индикатор. Единичное состояние этого индикатора свидетельствует о наличии этой страницы в основной памяти. Нулевое состояние индикатора означает отсутствие страницы в оперативной памяти.

Для увеличения эффективности такого типа схем в процессорах используется специальная полностью ассоциативная кэш-память, которая также называется буфером преобразования адресов (TLB traнсlation-lookaside buffer). Хотя наличие TLB не меняет принципа построения схемы страничной организации, с точки зрения защиты памяти, необходимо предусмотреть возможность очистки его при переключении с одной программы на другую.

Поиск в таблицах страниц, расположенных в основной памяти, и загрузка TLB может осуществляться либо программным способом, либо специальными аппаратными средствами. В последнем случае для того, чтобы предотвратить возможность обращения пользовательской программы к таблицам страниц, с которыми она не связана, предусмотрены специальные меры. С этой целью в процессоре предусматривается дополнительный регистр защиты, содержащий описатель (дескриптор) таблицы страниц или базово-граничную пару. База определяет адрес начала таблицы страниц в основной памяти, а граница - длину таблицы страниц соответствующей программы. Загрузка этого регистра защиты разрешена только в привилегированном режиме. Для каждой программы операционная система хранит дескриптор таблицы страниц и устанавливает его в регистр защиты процессора перед запуском соответствующей программы.

Отметим некоторые особенности, присущие простым схемам со страничной организацией памяти. Наиболее важной из них является то, что все программы, которые должны непосредственно связываться друг с другом без вмешательства операционной системы, должны использовать общее пространство виртуальных адресов. Это относится и к самой операционной системе, которая, вообще говоря, должна работать в режиме динамического распределения памяти. Поэтому в некоторых системах пространство виртуальных адресов пользователя укорачивается на размер общих процедур, к которым программы пользователей желают иметь доступ. Общим процедурам должен быть отведен определенный объем пространства виртуальных адресов всех пользователей, чтобы они имели постоянное место в таблицах страниц всех пользователей. В этом случае для обеспечения целостности, секретности и взаимной изоляции выполняющихся программ должны быть предусмотрены различные режимы доступа к страницам, которые реализуются с помощью специальных индикаторов доступа в элементах таблиц страниц.

Следствием такого использования является значительный рост таблиц страниц каждого пользователя. Одно из решений проблемы сокращения длины таблиц основано на введении многоуровневой организации таблиц. Частным случаем многоуровневой организации таблиц является сегментация при страничной организации памяти. Необходимость увеличения адресного пространства пользователя объясняется желанием избежать необходимости перемещения частей программ и данных в пределах адресного пространства, которые обычно приводят к проблемам переименования и серьезным затруднениям в разделении общей информации между многими задачами.

Сегментация памяти

Другой подход к организации памяти опирается на тот факт, что программы обычно разделяются на отдельные области-сегменты. Каждый сегмент представляет собой отдельную логическую единицу информации, содержащую совокупность данных или программ и расположенную в адресном пространстве пользователя. Сегменты создаются пользователями, которые могут обращаться к ним по символическому имени. В каждом сегменте устанавливается своя собственная нумерация слов, начиная с нуля.

Обычно в подобных системах обмен информацией между пользователями строится на базе сегментов. Поэтому сегменты являются отдельными логическими единицами информации, которые необходимо защищать, и именно на этом уровне вводятся различные режимы доступа к сегментам. Можно выделить два основных типа сегментов: программные сегменты и сегменты данных (сегменты стека являются частным случаем сегментов данных). Поскольку общие программы должны обладать свойством повторной входимости, то из программных сегментов допускается только выборка команд и чтение констант. Запись в программные сегменты может рассматриваться как незаконная и запрещаться системой. Выборка команд из сегментов данных также может считаться незаконной и любой сегмент данных может быть защищен от обращений по записи или по чтению.

Для реализации сегментации было предложено несколько схем, которые отличаются деталями реализации, но основаны на одних и тех же принципах.

В системах с сегментацией памяти каждое слово в адресном пространстве пользователя определяется виртуальным адресом, состоящим из двух частей: старшие разряды адреса рассматриваются как номер сегмента, а младшие - как номер слова внутри сегмента. Наряду с сегментацией может также использоваться страничная организация памяти. В этом случае виртуальный адрес слова состоит из трех частей: старшие разряды адреса определяют номер сегмента, средние - номер страницы внутри сегмента, а младшие - номер слова внутри страницы.

Как и в случае страничной организации, необходимо обеспечить преобразование виртуального адреса в реальный физический адрес основной памяти. С этой целью для каждого пользователя операционная система должна сформировать таблицу сегментов. Каждый элемент таблицы сегментов содержит описатель (дескриптор) сегмента (поля базы, границы и индикаторов режима доступа). При отсутствии страничной организации поле базы определяет адрес начала сегмента в основной памяти, а граница - длину сегмента. При наличии страничной организации поле базы определяет адрес начала таблицы страниц данного сегмента, а граница - число страниц в сегменте. Поле индикаторов режима доступа представляет собой некоторую комбинацию признаков блокировки чтения, записи и выполнения.

Таблицы сегментов различных пользователей операционная система хранит в основной памяти. Для определения расположения таблицы сегментов выполняющейся программы используется специальный регистр защиты, который загружается операционной системой перед началом ее выполнения. Этот регистр содержит дескриптор таблицы сегментов (базу и границу), причем база содержит адрес начала таблицы сегментов выполняющейся программы, а граница - длину этой таблицы сегментов. Разряды номера сегмента виртуального адреса используются в качестве индекса для поиска в таблице сегментов. Таким образом, наличие базово-граничных пар в дескрипторе таблицы сегментов и элементах таблицы сегментов предотвращает возможность обращения программы пользователя к таблицам сегментов и страниц, с которыми она не связана. Наличие в элементах таблицы сегментов индикаторов режима доступа позволяет осуществить необходимый режим доступа к сегменту со стороны данной программы. Для повышения эффективности схемы используется ассоциативная кэш-память.

Отметим, что в описанной схеме сегментации таблица сегментов с индикаторами доступа предоставляет всем программам, являющимся частями некоторой задачи, одинаковые возможности доступа, т. е. она определяет единственную область (домен) защиты. Однако для создания защищенных подсистем в рамках одной задачи для того, чтобы изменять возможности доступа, когда точка выполнения переходит через различные программы, управляющие ее решением, необходимо связать с каждой задачей множество доменов защиты. Реализация защищенных подсистем требует разработки некоторых специальных аппаратных средств. Рассмотрение таких систем, которые включают в себя кольцевые схемы защиты, а также различного рода мандатные схемы защиты, выходит за рамки данного обзора.

Фрагментация

Фрагментация – это дробление памяти на мелкие не смежные свободные области маленького размера. Фрагментация возникает после выполнения системой большого числа запросов на память, таких, что размеры подходящих свободных участков памяти оказываются немного больше, чем требуемые. Например, если имеется 100 смежных свободных областей памяти по 1000 слов, то после выполнения 100 запросов на память по 999 слов каждый в списке свободной памяти останутся 1000 областей по одному слову.

Фрагментация бывает внутренняя и внешняя . При внешней фрагментации имеется достаточно большая область свободной памяти, но она не является непрерывной. Внутренняя фрагментация может возникнуть вследствие применения системой специфической стратегии выделения памяти, при которой фактически в ответ на запрос память выделяется несколько большего размера, чем требуется, - например, с точностью до страницы (листа ), размер которого – степень двойки. Страничная организация памяти подробно рассматривается далее в данной лекции.

Внешняя фрагментация может быть уменьшена или ликвидирована путем применения компактировки (compaction) – сдвига или перемешивания памяти с целью объединения всех не смежных свободных областей в один непрерывный блок. Компактировка может выполняться либо простым сдвигом всех свободных областей памяти, либо путем перестановки занятых областей, с выбором на каждом шаге подходящей свободной области методом наиболее подходящего. Компактировка возможна, только если связывание адресов и перемещение (см. лекцию 15) происходит динамически. Компактировка выполняется во время исполнения программы.

При компактировке памяти и анализе свободных областей может быть выявлена проблема зависшей задачи : какая-либо задача может "застрять" в памяти, так как выполняет ввод-вывод в свою область памяти (по этой причине откачать ее невозможно). Решение данной проблемы: ввод-вывод должен выполняться только в специальные буфера, выделяемой для этой цели операционной системой.

Страничная организация (paging) – стратегия управления памятью, при которой:

• логическая память делится на страницы – смежные области одинаковой длины, обычно – степень 2 (например, 512 слов);
• физическая память, соответственно, делится на фреймы такого же размера;
• распределение логической памяти происходит с точностью до страницы;
• физическая память процесса может не быть непрерывной;
• связь между логической и физической памятью процесса осуществляется с помощью таблицы страниц – системной структуры, выделяемой процессу для трансляции его логических адресов в физические .

При страничной организации ОС хранит информацию обо всех свободных фреймах. Поскольку память выделяется с точностью до страницы, возможна внутренняя фрагментация (см. п. 16.5).

Цели страничной организации – обеспечить возможность не смежного распределения физической памяти для процессов, а также расширить пространство логической памяти.

При страничной организации логический адрес обрабатывается системой особым образом – как структура (p, d): его старшие разряды обозначают номер страницы , младшие – смещение внутри страницы. Номер страницы (p) трактуется как индекс в таблице страниц, соответствующий элемент которой содержит базовый адрес начала страницы в физической памяти . Смещение внутри страницы (d) добавляется к ее базовому адресу. В результате формируется физический адрес, передаваемый в устройство управления памятью.

Архитектура трансляции адресов при страничной организации изображена на рис. 16.3.

Рис. 16.3. Архитектура трансляции адресов при страничной организации.

На рис. 16.4 приведен пример страничной организации, который демонстрирует, что, в отличие от непрерывной логической памяти процесса, соответствующие фреймы страниц в основной памяти могут быть расположены не смежно: логической странице 0 соответствует фрейм 1, странице 1 – фрейм 4, странице 2 – фрейм 3, странице 3 – фрейм 7.

Рис. 16.4. Пример страничной организации.

На рис. 16.5 приведен другой возможный пример страничной организации: логическая и физическая память разбита на блоки по 4 страницы подряд; в таблице страниц хранится не номер страницы, а номер блока страниц. Например, в элементе 0 таблицы страниц хранится номер блока 5, по которому адрес начала блока вычисляется домножением содержимого элемента таблицы страниц на размер блока, равный 4 (результат – 20).

Рис. 16.5. Пример страничной организации блоками по 4 страницы.

Использования списка свободных фреймов иллюстрируется на рис. 16.6.

увеличить изображение
Рис. 16.6. Список свободных фреймов.

Первоначально список состоит из 5 фреймов. При вводе в систему нового процесса с логической памятью из 4 страниц, после загрузки процесса в память, последовательные логические страницы процесса размещаются в первых по списку физических фреймах. В результате в списке свободных фреймов остается один элемент.

Реализация таблицы страниц

Использование ассоциативной памяти. Таблица страниц – непрерывная область физической памяти. В системе имеется базовый регистр таблицы страниц (page table base register – PTBR), указывающий на таблицу страниц и хранящий ее длину.

Таким образом, при страничной организации любой доступ к памяти требует фактически не одного, а двух обращений в память – одно в таблицу страниц, другок – непосредственно к данным или команде. В этом – некоторый недостаток и неэффективность страничной организации, по сравнению с более простыми методами управления памятью.

В системах с теговой архитектурой, например, "Эльбрус", регистр таблицы страниц (регистр таблицы страниц пользователя – РТСП) содержит дескриптор таблицы страниц, который, кроме ее адреса, содержит также ее длину.

Проблема двух обращений решается введением ассоциативной памяти (cache) страниц, называемой также буфер трансляции адресов (translation lookaside buffer – TLB). Ассоциативная память, по существу, является ассоциативным списком пар вида: (номер страницы, номер фрейма). Ее быстродействие значитель выше, чем у основной памяти и у регистров.

Схема трансляции адресов с использованием ассоциативной памяти изменяется: если номер страницы из логического адреса найден в ассоциативной памяти, то из ее элемента извлекается соответствующий номер фрейма. Если же номер страницы отсутствует в ассоциативной памяти, он выбирается обычным образом из таблицы страниц, но заносится в ассоциативную память. Таким образом, в ассоциативной памяти накапливается информация о наиболее часто используемых страницах.

Модифицированная схема трансляции адресов с использованием TLB иллюстрируется рис. 16.7.

увеличить изображение
Рис. 16.7. Схема трансляции адресов с использованием ассоциативной памяти.

Программист имеет в своем распоряжении адресное пространство , ограниченное лишь разрядностью адресной шины, независимо от реальной емкости оперативной памяти компьютера и объемов памяти, которые используются другими программами, параллельно обрабатываемыми в мультипрограммной ЭВМ.

Виртуальная память , обеспечивая возможность программисту обращаться к очень большому объему непрерывного адресного пространства, предоставляемого в его монопольное распоряжение, обладает обычными свойствами: побайтовая адресация , время доступа , сравнимое со временем доступа к оперативной памяти.

На всех этапах подготовки программ, включая загрузку в память, программа представляется в виртуальных адресах , и лишь при выполнении машинной команды виртуальные адреса преобразуются в физические. Для каждой программы, выполняемой в мультипрограммном режиме, создается своя виртуальная память . Каждая программа использует одни и те же виртуальные адреса от нулевого до максимально большого в данной архитектуре.

Для преобразования виртуальных адресов в физические физическая и виртуальная память разбиваются на блоки фиксированной длины, называемые страницами . Объемы виртуальной и физической страниц совпадают. Страницы виртуальной и физической памяти нумеруются. Отсутствующие в физической памяти страницы обычно хранятся во внешней памяти. Фиксированный размер всех страниц позволяет загрузить любую нужную виртуальную страницу в любую физическую.

Как отмечалось выше, при страничном представлении памяти виртуальный ( логический) адрес представляет собой номер виртуальной страницы и смещение внутри этой страницы. В свою очередь , физический адрес - это номер физической страницы и смещение в ней.

Правила перевода номеров виртуальных страниц в номера физических страниц обычно задаются в виде таблицы страничного преобразования . Такие таблицы формируются системой управления памятью и модифицируются каждый раз при перераспределении памяти. Операционная система постоянно отслеживает состояние виртуальных страниц той или иной программы и определяет, находится ли она в оперативной памяти, и если находится, то в каком конкретно месте. Прикладные программы не касаются процесса и могут использовать все адресное пространство . Процессор автоматически формирует особый случай неприсутствия, когда программа обращается к странице, отсутствующей в физической памяти. При обработке этого особого случая ОС загружает затребованную страницу из внешней памяти, при необходимости отправляя некоторую другую страницу на диск (процесс свопинга).

Перевод виртуальных адресов в физические проиллюстрирован на рис. 3.12 .

Рассмотрим пример преобразования адреса виртуальной страницы в адрес физической страницы . Пусть компьютер использует адресное пространство , предполагающее разбиение на страницы объемом V стр = 1I , и имеет оперативную память V ОЗУ = 3 страницы. Пусть на компьютере одновременно выполняются четыре программы, имеющие следующее количество страниц: V A = 2 , V B = 1 , V C = 3 , V D = 2 . Переключение между программами происходит через время кванта t k = 1 . Время выполнения каждой страницы любой программы составляет t = 2t k . Полагаем, что страницы программ загружаются в оперативную память по мере необходимости и по возможности в свободные области ОЗУ . Если вся память занята, то новая страница замещает ту, к которой дольше всего не было обращений.

При таких условиях таблица загрузки оперативной памяти и таблицы страничного преобразования для каждой программы будут иметь вид, представленный в табл. 3.2.

В таблице распределения оперативной памяти выделены номера активных в данном такте страниц. В таблицах страничного преобразования прочерками отмечены ситуации, когда данная виртуальная страница отсутствует в оперативной памяти.

Если каждая страница имеет объем 1000 адресуемых ячеек, то, например, в такте 9 обращение по виртуальному адресу 1100 программы A ( виртуальная страница 1, смещение в странице равно 100) приведет к обращению по физическому адресу 2100 ( физическая страница 2, смещение в физической странице такое же, как и в виртуальной, то есть 100).

Рассмотрим теперь применение этих общих принципов страничного преобразования адреса в микропроцессоре с архитектурой IA-32 при объеме страницы в 4 Кбайт.

Основой страничного преобразования служит 32-разрядный линейный адрес , полученный на этапе сегментного преобразования логического адреса . Страничное преобразование выполняется при значении бита PG = 1 в управляющем регистре CR0 .

В этом случае старшие 20 разрядов линейного адреса фактически представляют собой номер виртуальной страницы . Однако при прямом одноступенчатом преобразовании этого номера в номер физической страницы необходима таблица из 2 20 элементов длиной 4 байта каждый (20-разрядный номер страницы плюс некоторая дополнительная информация ), т. е. 4 Мбайт. В мультипрограммной среде такая таблица может потребоваться для каждой задачи. Эта таблица должна постоянно храниться в оперативной памяти, чтобы существенно не увеличивать время формирования физического адреса . Для этих целей потребуется постоянное резервирование существенной части емкости ОЗУ , что на этапе появления первых ЭВМ на основе МП с архитектурой IA-32 было практически невозможно.

Вместо этого микропроцессор использует двухступенчатое страничное преобразование адреса . Корневая страница, называемая каталогом таблиц страниц (КТС), содержит 1024 32-разрядных элемента каталога таблиц страниц (ЭКТС - PDE page directory entry ). Каждый из них адресует подчиненную таблицу страниц (ТС), то есть всего допускается до 1024 подчиненных таблиц страниц. Каждая из таблиц страниц содержит 1024 32-разрядных элемента таблицы страниц (ЭТС - PTE page table entry ), каждый из которых и адресует физическую страницу. Таким образом, общее количество адресуемых физических страниц равно 2 20 , то есть все виртуальное адресное пространство (4 Кбайт * 2 20 элементов = 2 32 байт ). Каждая таблица занимает 1024 * 4 = 4 Кбайт, то есть ровно 1 страницу. Общий объем таблиц, используемых для страничного преобразования , не уменьшился, а даже несколько возрос за счет использования каталога таблиц страниц . Однако, во-первых, практически всегда в системе этот размер можно существенно уменьшить за счет того, что некоторые линейные адреса никогда не будут сформированы (а эту информацию дают таблицы дескрипторов сегментов), и для них не нужно создавать таблицу страниц. А во-вторых, в оперативной памяти должны постоянно находиться лишь каталог таблиц страниц и таблица страниц выполняемой в настоящее время программы. Остальные таблицы страниц могут временно храниться во внешней памяти.

Таким образом, преобразование линейного адреса в физический имеет вид, представленный на рис. 3.13 .

Старшие 20 разрядов линейного адреса разбиваются на два 10-разрядных поля: поле номера элемента каталога таблиц страниц и поле номера элемента таблицы страниц . Так как и каталог таблиц страниц , и каждая таблица страниц занимают ровно 1 страницу и выровнены по границе страницы, то младшие 12 разрядов их базового адреса равны нулю, и для определения их физического адреса достаточно 20-разрядного поля.

Для каталога таблиц страниц его 20-разрядный адрес находится в регистре управления CR3. КТС постоянно находится в памяти и не участвует в свопинге .

Старшие 20 разрядов физического адреса таблицы страниц извлекаются из ЭТС. Структуры элемента КТС и элемента ТС схожи (рис. 3.14).

Старшие 20 разрядов элемента дают базовый адрес таблицы страниц (в ЭКТС) или физической страницы (в ЭТС). Биты P , A , R/W и U/S имеют определенное сходство с аналогичными атрибутами дескриптора сегмента, другие биты имеют специфическое назначение.